El dispositivo generador de fuerza motriz comprende una columna (1) provista de una pluralidad de elementos flexibles (3) colocados alrededor de dicha columna (1),

que al interponerse al flujo reaccionan girando positivamente alrededor en un mismo sentido, y se caracteriza por el hecho de que dichos elementos flexibles son unas membranas aerodinámicas (3) cuya disposición y forma sigue patrones espirales logarítmicos y por el hecho de que comprende un cabezal desplazable (2) colocado en la parte superior de dicha columna central (1) y una base (4) colocada en la parte inferior de dicha columna (1), estando fijada cada membrana (3) en su parte superior a dicho cabezal desplazable (2) y en su parte inferior a dicha base (4).Permite equilibrar las fuerzas cinéticas, gravitatorias y centrífugas, minimizando las resistencias

Dispositivo generador de fuerza motriz.

La presente invención se refiere a un dispositivo generador de fuerza motriz, y en particular a un generador de fuerza motriz que aprovecha la energía del flujo de un fluido.

Antecedentes de la invención

El objetivo de los dispositivos generadores de fuerza motriz tradicionales, tales como molinos, rotores y turbinas, es el aprovechamiento de la energía dinámica que concentran el aire, el agua y otros fluidos para la generación de fuerzas mecánicas o electromotrices. La fuerza que estos dispositivos son capaces de producir depende del volumen, la masa y la velocidad del fluido con que trabajan, de manera que crece o decrece directamente con la escala, es decir, con el área de batido o de cruce, mientras que varía al cubo respecto a la velocidad del flujo de trabajo.

Este hecho explica que, si bien los molinos y las turbinas han sido utilizados desde los anales de la historia, su funcionamiento se haya basado en explotar flujos bien cargados de energía (saltos de agua, zonas ventosas). En consecuencia, el progreso puede medirse en términos del aumento de la cantidad y el tamaño de las instalaciones, mientras que las mejoras en eficiencia son relativamente recientes y la aplicación de sus resultados limitada.

Los objetivos de mejora del aprovechamiento de la energía se enfrentan a múltiples dificultades entre las que se cuentan importantes condicionantes de naturaleza dinámica, mecánica y eléctrica:

- al impactar el flujo sobre un objeto interpuesto se produce una disminución de su velocidad y una desviación hacia el exterior con el fin de rodear el objeto;

- la resistencia al avance del móvil interpuesto crece más que proporcionalmente a su velocidad, lo que hace que la velocidad del móvil se mantenga por debajo de la del fluido que lo arrastra o que los fenómenos de suspensión o planeo sean inestables;

- la interacción de las tres fuerzas de empuje (flujo, gravedad e inercia) varía a lo largo de los ciclos de la rotación provocando tensiones considerables y desgaste prematuro del conjunto;

- el acoplamiento del giro de la turbina al eje motriz exige un incremento del par y que los límites seguros de trabajo sean mantenidos muy por debajo de las posibilidades empíricas del diseño con la ayuda de dispositivos de variación de paso y frenado;

- la retención que producen las palas o álabes que no están bien orientados en el flujo produce niveles indeseados de vibración y ruido, y aumentan los riesgos de rotura por sobrepresión o resonancia;

- la variabilidad del flujo y los desequilibrios intrínsecos dificultan el aprovechamiento de la corriente obtenida y exigen que, para conectar con la red, sean necesarios sofisticados y también frágiles equipos capaces de llevar a cabo la medición y compensación de diferencias.

Algo que todos los aparatos comparten es la necesidad de limitar la velocidad de giro para no exceder los esfuerzos máximos para los que han sido diseñados. En unos casos esto se logra gracias a las resistencias cinemáticas inherentes al diseño, lo que aumenta el consiguiente riesgo de que el conjunto se rompa o salga literalmente volando. En otros, se trata de dispositivos de freno o de desajuste del paso respecto al idóneo, con lo que la eficiencia desciende muy rápidamente más allá de la eficiencia óptima. En la práctica, se tiende a que el diseño esté estrechamente relacionado con una condición determinada, de modo que variaciones de intensidad y dirección sobre las condiciones ideales se traducen en notables pérdidas de eficiencia.

Ejemplos comunes y representativos de aplicación y mejora de las tecnologías tradicionales conocidas son los molinos de viento de varias aspas con rotación horizontal, las turbinas de múltiples álabes o cazoletas en línea con el flujo de trabajo del tipo Francis (1849) o Pelton (1879), y las turbinas con rotación vertical sin medios para el guiado del flujo de trabajo de Savonius (US-1.697.574) y Darreius (US-1.835.018). A estas invenciones clásicas cabe añadir las de Kaplan (US-1.822.778), Yen (US-4.070.131), Seki (US-4.247.252), Gilman (US-4.293.274), Gorlov (US-5.451.137), Giorgini (US-5.852.331), Elder (US-6.538.340) y Becker (US-7.132.760), en las que se experimenta con la curvatura bidimensional (ejes x,y) de los álabes para obtener mejor eficiencia. Más recientes son las invenciones de Sidler (WO 2005/010353 A2) o Naskali (WO 2006/119648 A1) en las que los modelos Savonius y Darreius respectivamente son perfeccionados utilizando también un desplazamiento o curvatura en la dimensión vertical (eje z). Todos estos aparatos se fundamentan en una concepción euclidiana del espacio tridimensional y por más que algunos de ellos ya hablan de diseño helicoidal todos resultan en geometrías de tipo fijo o articuladas a conveniencia, y ninguno resulta en una geometría variable de forma continua e isométrica como la presente invención.

Empíricamente está demostrado que se pueden obtener rendimientos crecientes desde la situación de reposo al aumentar la relación entre la velocidad tangencial de los álabes y la del fluido ("tip speed ratio") hasta un máximo teórico de eficiencia que depende el fluido. Por ello una importante línea de investigación se orienta hacia la mejora de esta relación. En el caso del aire según la teoría de Betz, este máximo de eficiencia se sitúa en un 59,26%.

En general, las mediciones del funcionamiento real de todo tipo de diseños de turbinas eólicas raramente superan el 60% del límite de Betz. Los clásicos molinos de múltiples palas se sitúan en torno a un 15% o 20%, mientras que aerogeneradores modernos de dos o tres palas de gran tamaño llegan a su eficiencia óptima en el orden del 45% con relaciones de velocidad superiores a las 3 veces.

Desarrollos basados en los anteriormente citados mantienen su rotación a relaciones de velocidad más bajas con eficiencia en torno a un 20-30%. No se disponen datos del rendimiento de las invenciones más recientes más allá de que algunos rotores del tipo Darreius han registrado eficiencias del orden del 30-35% a relaciones de velocidad superiores a las 5 veces.

El coste de arrancar y mantener esa relación de velocidad asociado a los problemas de stress mecánico por la distinta acción de las fuerzas gravitatoria y centrífuga a ratios de velocidad elevados pueden ser razones por las que su explotación comercial no prospera.

Por lo tanto, es evidente, que queda un amplio margen para la mejora, no sólo en términos conceptuales, sino también con la búsqueda de geometrías estructurales más estables y el empleo de nuevos materiales y técnicas. En este sentido la utilización de diseños más eficientes o comparativamente más ligeros y económicos puede suponer un importante avance, ya que el mayor condicionante de la viabilidad de los proyectos es la rentabilidad, es decir su coste en relación con la producción obtenida.

Descripción de la invención

Con el dispositivo de la invención se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando otras ventajas que se describirán.

El dispositivo generador de fuerza motriz de la presente invención comprende una columna provista de una pluralidad de elementos flexibles colocados alrededor de dicha columna, que al interponerse al flujo reaccionan girando positivamente alrededor en un mismo sentido, y se caracteriza por el hecho de que dichos elementos flexibles son unas membranas aerodinámicas cuya disposición y forma sigue patrones espirales logarítmicos y por el hecho de que comprende un cabezal desplazable colocado en la parte superior de dicha columna central y una base colocada en la parte inferior de dicha columna, estando fijada cada membrana en su parte superior a dicho cabezal desplazable y en su parte inferior a dicha base.

Ventajosamente, dicho cabezal desplazable es giratorio alrededor de dicha columna y/o se desliza a lo largo de dicha columna.

Preferiblemente, que las membranas y/o la base son giratorios alrededor de dicha columna.

Según una realización preferida, la base está formada por una serie de vástagos radiales.

Ventajosamente, el empuje de giro positivo en un sentido se obtiene por estar las membranas dispuestas poligonalmente adoptando patrones de persecución espiral.

También ventajosamente, el control de dicho empuje de giro se obtiene variando...

1. Dispositivo generador de fuerza motriz, que comprende una columna (1) provista de una pluralidad de elementos flexibles (3) colocados alrededor de dicha columna (1), que al interponerse al flujo reaccionan girando positivamente alrededor en un mismo sentido, caracterizado por el hecho de que dichos elementos flexibles son unas membranas aerodinámicas (3) cuya disposición y forma sigue patrones espirales logarítmicos y por el hecho de que comprende un cabezal desplazable (2) colocado en la parte superior de dicha columna central (1) y una base (4) colocada en la parte inferior de dicha columna (1), estando fijada cada membrana (3) en su parte superior a dicho cabezal desplazable (2) y en su parte inferior a dicha base (4).

2. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho cabezal desplazable (2) es giratorio alrededor de dicha columna (1) y/o se desliza a lo largo de dicha columna (1).

3. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las membranas (3) y/o la base (4) son giratorios alrededor de dicha columna (1).

4. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la base (4) está formada por una serie de vástagos radiales.

5. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el empuje de giro positivo en un sentido se obtiene por estar las membranas (3) dispuestas poligonalmente adoptando patrones de persecución espiral.

6. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que el control de dicho empuje de giro se obtiene variando la geometría de esa disposición espiral.

7. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la forma de dichas membranas (3) se basa en secciones de superficies de revolución arrolladas o contraídas en patrones espirales y/o en secciones de superficies isométricas desarrolladas o expandidas en superposición a cuerpos de revolución.

8. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que la forma de dichas membranas (3) está definida por las siguientes ecuaciones:

x = s*[senh(v)*cos(t*u)] / [1+cosh(u)*cosh(v)]

y = s'* [senh(v)*sen(t*u)] / [1+cosh(u)*cosh(v)]

z = [cosh(v)*senh(u)] / [1+cosh(u)*cosh(v)]

en donde:

- x, y, z son las coordenadas espaciales;

- u es un parámetro de crecimiento vertical;

- v es un parámetro de crecimiento horizontal;

- t es un valor de la torsión; y

- s, s' son factores de escala.

9. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichas membranas aerodinámicas (3) están formadas a partir de por lo menos un polímero termoplástico.

10. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que dichas membranas aerodinámicas (3) están formadas a partir de un polímero termoplástico elegido entre politereftalato de etileno (PET), fibras de polietileno de alto módulo (HMPE), de poliamidas aromáticos (PPTA, TLPC), de poliuretano (PBO), de vidrio (GRP) o de carbono (CRP).